연료 없이 빛의 압력만으로 우주를 날아가는 태양돛. 이카로스호가 증명했고 라이트세일 2호가 실현한 이 기술은 레이저 추진으로 발전해 별까지 갈 수 있을까요. 태양돛과 광자 추진의 과학과 미래를 탐구합니다. 오늘은 "태양돛과 광자 추진, 빛의 압력으로 우주를 항해하다"에 대해서 살펴보겠습니다.
빛도 압력을 가한다
1619년, 케플러가 혜성을 관찰했다. 꼬리가 항상 태양 반대편을 향했다. 이상했다. 무엇이 밀까. 태양 빛일 것이라 생각했다. 맞았다. 빛은 운동량을 가진다. 물체에 부딪치면 압력을 가한다. 광압이다. 매우 약하다. 1제곱미터당 9마이크로뉴턴이다. 모기 한 마리 무게보다 약하다. 하지만 우주에선 다르다. 마찰이 없다. 중력이 약하다. 계속 쌓인다. 가속된다. 1900년대 초, 러시아 과학자들이 아이디어를 냈다. 콘스탄틴 치올콥스키와 프리드리히 찬더였다. 거대한 거울로 빛을 받는다. 우주선을 추진한다. 연료가 필요 없다. 무한히 가속한다. 이론적으로는. 태양돛이었다. Solar Sail이다. 1970년대, NASA가 진지하게 검토했다. 핼리 혜성 랑데부 미션이었다. 거대한 돛을 펼친다. 태양 빛을 받는다. 가속한다. 혜성을 따라간다. 설계가 나왔다. 하지만 취소됐다. 기술이 부족했다. 비용이 과다했다. 2000년대, 재시도가 시작됐다. 행성협회가 코스모스-1을 발사했다. 2005년이었다. 실패했다. 로켓이 추락했다. 궤도에 못 갔다. 2010년, 일본이 성공했다. 이카로스호였다. IKAROS다. Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun이다. 금성 탐사선과 함께 갔다. 14미터 돛을 펼쳤다. 얇았다. 7.5마이크로미터였다. 비닐봉지보다 얇았다. 태양 빛을 받았다. 가속이 확인됐다. 자세 제어도 성공했다. 최초의 태양돛 우주선이었다. 역사적 순간이었다.
태양돛과 광자 추진
2019년, 행성협회가 다시 도전했다. 라이트세일 2호였다. LightSail 2다. 큐브셋 크기였다. 5킬로그램이었다. 빵 한 덩어리 무게다. 팔콘 헤비로 발사됐다. 지구 저궤도에 갔다. 720킬로미터 고도였다. 32제곱미터 돛을 펼쳤다. 마일라 필름이었다. 4.5마이크로미터 두께였다. 태양을 향했다. 밝기가 변했다. 궤도가 올라갔다. 매일 수백 미터씩 올랐다. 광압으로 고도를 높였다. 성공이었다. 3년간 운영됐다. 2022년 대기권 재진입했다. 태양돛이 실용적임을 증명했다. 상업적 활용도 시작됐다. NEA 스카우트가 있다. NASA 소행성 탐사선이다. 86제곱미터 돛을 쓴다. 지구 근처 소행성으로 간다. 2년 비행한다. 연료 없이 간다. 2024년 발사 예정이었다. 아르테미스 1호와 함께. 하지만 통신 두절됐다. 실패했다. 태양 크루저도 개발 중이다. JAXA 미션이다. 이카로스 후속이다. 50미터급 돛이다. 목성 트로이 소행성으로 간다. 태양 극 관측도 한다. 2030년대 발사 예정이다. 태양돛의 장점은 많다. 연료가 필요 없다. 무한히 가속한다. 오래 비행한다. 수십 년 가능하다. 보이저보다 멀리 갈 수 있다. 하지만 한계도 있다. 가속이 느리다. 초기 속도가 낮다. 태양에서 멀어지면 약해진다. 화성 너머는 비효율적이다. 햇빛이 약하다. 돛이 거대해야 한다. 전개가 어렵다. 찢어지면 끝이다. 수리 불가다. 궤도 제어도 복잡하다. 돛 각도를 조절해야 한다. 정밀한 자세 제어가 필요하다.
브레이크스루 스타샷, 레이저 추진의 꿈
2016년, 유리 밀너가 발표했다. 브레이크스루 스타샷이었다. Breakthrough Starshot이다. 스티븐 호킹이 지지했다. 알파 센타우리로 가는 것이다. 4.37광년이다. 20년 만에 도착한다. 어떻게 가능할까. 레이저 추진이다. 나노크래프트를 쓴다. 우표 크기다. 몇 그램이다. 작은 칩이다. 센서와 카메라가 있다. 1미터 돛이 달렸다. 극도로 얇다. 수백 나노미터다. 원자 수백 개 두께다. 지상에서 거대한 레이저를 쏜다. 100기가와트다. 수백 개 레이저를 묶는다. 칩을 조준한다. 몇 분간 쏜다. 빛의 20퍼센트까지 가속한다. 수만 g 가속도다. 사람은 견딜 수 없다. 칩만 가능하다. 20년 비행한다. 알파 센타우리에 도착한다. 사진을 찍는다. 지구로 보낸다. 4년 걸린다. 총 24년이다. 한 세대 안이다. 이론적으론 가능하다. 하지만 과제가 산적하다. 첫째, 레이저다. 100기가와트는 엄청나다. 원자력 발전소 100개다. 칠레 아타카마 사막에 지을 계획이다. 수 킬로미터 크기다. 비용이 100억 달러다. 둘째, 조준이다. 작은 칩을 정확히 맞혀야 한다. 수천 킬로미터 떨어진다. 대기 요동이 있다. 적응 광학이 필요하다. 정밀한 추적이 필요하다. 셋째, 돛이다. 극박 필름이어야 한다. 하지만 강해야 한다. 레이저 열을 견뎌야 한다. 수만 도다. 녹지 않아야 한다. 반사율이 높아야 한다. 99.99퍼센트 이상이다. 아직 개발 중이다. 넷째, 통신이다. 4광년 떨어진다. 신호가 약하다. 큰 안테나가 필요하다. 전력도 필요하다. 우표 크기 칩에 어떻게 넣나. 방사성 배터리일 수 있다. 아니면 빛 에너지를 모은다. 다섯째, 감속이다. 감속을 못 한다. 스쳐 지나간다. 몇 시간뿐이다. 관측 시간이 짧다. 궤도 진입은 불가능하다. 또 다른 돛이 필요하다. 알파 센타우리 빛을 받는다. 반대로 가속한다. 감속이 된다. 하지만 더 복잡하다. 스타샷은 야심적이다. 실현 가능성은 불확실하다. 수십 년 걸릴 것이다. 하지만 의미가 있다. 기술을 발전시킨다. 레이저 추진을 연구한다. 소형화를 추구한다. 언젠가 가능할 것이다. 태양돛과 광자 추진. 연료 없이 빛으로 난다. 이카로스가 증명했다. 라이트세일이 실현했다. 스타샷이 꿈꾼다. 별까지 가는 꿈이다.